市販PEEK製歯科用クラウンの破壊特性：エージング時間とTiO含量の複合効果

Fracture Characteristics of Commercial PEEK Dental Crowns: Combining the Effects of Aging Time and TiO Content.

抄録

ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)は、良好な機械的特性と歯槽骨に類似した弾性率を持つ新しい熱可塑性ポリマーである。市販されているコンピューター支援設計/コンピューター支援製造（CAD/CAM）システム用のPEEK歯科補綴物には、機械的特性を強化するために二酸化チタン（TiO）が添加されていることが多い。しかし，長期口腔内環境を模擬した経時変化とTiO含有量の組み合わせがPEEK人工歯の破壊特性に及ぼす影響についてはほとんど検討されていない．本研究では，TiOを20%および30%含有する2種類の市販PEEKブロックを用いてCAD/CAMシステムにより歯冠を作製し，ISO 13356規格に基づき5時間および10時間の時効処理を行った．万能試験機を用いてPEEK歯冠の圧縮破壊荷重値を測定した．破面の形態と結晶化度は，それぞれ走査型電子顕微鏡とX線回折装置で分析した．統計学的解析は対検定（α＝0.05）を用いて行った．その結果，20%および30%のTiOを添加したPEEKクラウンの5時間または10時間の時効処理後の破断荷重値に有意差は認められず，すべてのPEEKクラウンは臨床応用に十分な破断特性を有していた．破面分析の結果，すべての試験クラウンは咬合面の舌側から破折し，破折は舌側溝に沿って舌側縁に進展し，破折の進展経路の中間部ではフェザー形状を示し，破折末端ではコーラル形状を示した．結晶分析の結果、PEEKクラウンは、エージング時間とTiO含有量にかかわらず、PEEKマトリックスとルチル相TiOが主体であることが示された。20%または30%のTiOをPEEKクラウンに添加することは、5時間または10時間の時効処理後のPEEKクラウンの破壊特性を改善するのに十分であったと結論づけられる。TiOを含むPEEKクラウンの破壊特性を低下させるためには、10時間以下の時効時間はまだ安全であると考えられる。

Polyetheretherketone (PEEK) is an emerging thermoplastic polymer with good mechanical properties and an elastic modulus similar to that of alveolar bone. PEEK dental prostheses for computer-aided design/computer-aided manufacturing (CAD/CAM) systems on the market often have additives of titanium dioxide (TiO) to strengthen their mechanical properties. However, the effects of combining aging, simulating a long-term intraoral environment, and TiO content on the fracture characteristics of PEEK dental prostheses have rarely been investigated. In this study, two types of commercially available PEEK blocks, containing 20% and 30% TiO, were used to fabricate dental crowns by CAD/CAM systems and were aged for 5 and 10 h based on the ISO 13356 specifications. The compressive fracture load values of PEEK dental crowns were measured using a universal test machine. The morphology and crystallinity of the fracture surface were analyzed by scanning electron microscopy and an X-ray diffractometer, respectively. Statistical analysis was performed using the paired -test (α = 0.05). Results showed no significant difference in the fracture load value of the test PEEK crowns with 20% and 30% TiO after 5 or 10 h of aging treatment; all test PEEK crowns have satisfactory fracture properties for clinical applications. Fracture surface analysis revealed that all test crowns fractured from the lingual side of the occlusal surface, with the fracture extending along the lingual sulcus to the lingual edge, showing a feather shape at the middle part of the fracture extension path and a coral shape at the end of the fracture. Crystalline analysis showed that PEEK crowns, regardless of aging time and TiO content, remained predominantly PEEK matrix and rutile phase TiO. We would conclude that adding 20% or 30% TiO to PEEK crowns may have been sufficient to improve the fracture properties of PEEK crowns after 5 or 10 h of aging. Aging times below 10 h may still be safe for reducing the fracture properties of TiO-containing PEEK crowns.